Файл: Лабораторная работа 3 Измерение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли.pdf

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ
ВИРТУАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
Измерение горизонтальной составляющей
магнитного поля Земли
Цель работы: Изучить законы электромагнетизма. Измерить горизон- тальную составляющую напряженности магнитного поля Земли.
Приборы и принадлежности: источник постоянного тока с ампермет- ром, катушка, компас.
Описание виртуальной установки
Для питания установки (рис. 1) используется виртуальный источник то- ка. Чтобы его включить, нужно кликнуть мышкой по кнопке «Вкл/Выкл».
Источник тока может выдавать регулируемый постоянный ток силой от 0 до
200 мА. Величина постоянного тока устанавливается вращающимся регуля- тором «Ток», а его направление можно изменить кликнув мышкой по пере- ключателю K. Вращение регулятора по часовой стрелке осуществляется нажатием на его правую половину, а вращение против часовой стрелки – нажатием на левую половину регулятора.
К источнику постоянного тока подключена катушка (соленоид) так, что- бы создаваемое ей магнитное поле было перпендикулярно магнитному полю
Земли.
Внутри катушки, в области максимальной однородности создаваемого ей магнитного поля, расположен компас Угол поворота стрелки компаса дуб- лируются в текстовом поле под компасом.
Рис. 1.

Методика выполнения работы
Краткая теория метода
Рассмотрим соленоид длиной L, состоящий из N витков. Его ось распо- ложим горизонтально и направим перпендикулярно плоскости магнитного меридиана.
В центральной части соленоида поместим магнитную стрелку, вращаю- щуюся вокруг вертикальной оси. Если по соленоиду пропустить ток I, то в нем возникнет магнитное поле с напряженностью Н
К
= n·I, где
N
n
L

– плот- ность намотки соленоида (число витков на единицу его длины). Поле направлено вдоль оси соленоида.
На стрелку компаса будут действовать магнитное поле Земли и магнит- ное поле соленоида. Напряженности обоих полей взаимно перпендикулярны.
На рис. 2 изображено сечение соленоида горизонтальной плоскостью. Здесь
Н
К
– вектор напряженности поля, созданного током, Н
З
горизонтальная составляющая маг- нитного поля Земли. Стрелка установится по направлению равнодействующей H, т. е. по диагонали прямоугольника, сторонами кото- рого будут вектор напряженности магнитного поля Земли Н
З
и соленоида Н
К
. Из рисунка 2 видно, что
3
tg tg
K
Н
n I
H





. Таким образом, тангенс отклонения стрелки компаса пропорционален силе тока в катушке, так как магнитное поле Земли можно считать постоянным. Такое устройство может быть использовано для измерения силы тока, и по этой причине его называют тангенс-гальванометром.
Можно поступить и наоборот, зная зависимость поля катушки от вели- чины тока, рассчитать величину горизонтальной составляющей магнитного поля Земли:
3
tg tg
K
Н
n I
H





(1)
В нашей установке плотность намотки соленоида составляет n = 200 витков на метр.
Оценка систематической погрешности
1. Прологарифмируем выражение (1): ln
Н
З
= ln n + ln I– ln (tg

).
2. Найдем полный дифференциал, считая n = const:
3 3
(tg )
2
tg sin cos sin2
dH
dI
d
dI
d
dI
d
H
I
I
I















Н
Н
К
Н
З
Рис. 2

3. Заменим «минус» на «плюс», а дифференциалы на погрешности изме- рений:
3 3
2
sin2
H
I
H
I









.
(2)
4. Абсолютная погрешность определяется формулой:
3 3
H
H


 
.
(3)
При вычислении относительной погрешности

считать, что:

I = 5 мА;


= 0,035 (радиан).
Обработка экспериментальных результатов.
1. Заготовьте таблицу. Таблицу удобней оформить в редакторе Excel.
Это поможет автоматизировать расчеты.
Таблица
I, мА

влево

вправо

H
З


H
З

20 40 60 80 100
Средние значения
2. Для заполнения таблицы запустите ролик с флэш-анимацией (вирту- альная установка Earth_magn.swf).
3. Включите виртуальный источник питания.
4. Плавно поворачивая ручку регулятора тока, установите значение си- лы тока 20 мА по шкале амперметра. При этом стрелка компаса от- клонится влево от нулевой отметки. Угол отклонения стрелки занеси- те в соответствующую колонку таблицы.
5. Установите оставшиеся четыре значения силы тока из указанных в таблице (40, 60, 80 и 100 мА) и запишите соответствующие этим зна- чениям тока углы отклонения стрелка компаса.
6. Измените направление тока в катушке, переключив тумблер K.
7. Изменяя ток, запишите углы отклонения стрелки компаса вправо для значений силы тока, указанных в таблице.
8. Вычислите значения H
З
по формуле (1). Не забудьте перевести ток в амперы!
9. Произведите оценку погрешности по формулам (2) и (3).
10. Сравните полученное среднее значение горизонтальной составляю- щей магнитного поля Земли H
З
с известным значением горизонталь- ной составляющей индукции для широты Кемерова B
З
≈ 20 мкТл.
Сделайте выводы.

Контрольные вопросы*
1. Дайте определение магнитному полю.
2. Назовите единицы измерения магнитной индукции, магнитного потока, напряженности магнитного поля, индуктивности.
3. Дайте определения силы Ампера и силы Лоренца. Запишите выражения для этих сил.
4. Запишите закон Био-Савара-Лапласа.
5. Рассчитайте индукцию магнитного поля, создаваемого бесконечно длин- ным прямолинейным проводника с током.
6. Рассчитайте индукцию магнитного поля, создаваемого на оси кругового тока.
7. Сформулируйте закон полного тока и выведите формулу для определения магнитной индукции на оси бесконечно длинного соленоида.
8. Расскажите о земном магнетизме. Как располагаются силовые линии маг- нитного поля Земли?
9. Что такое тангенс-гальванометр?
10. Выведите формулу для определения напряженности магнитного поля
Земли с помощью тангенс-гальванометра.
* Для подготовки ответов на контрольные вопросы используйте лек-
ции, учебники и учебные пособия.